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AI 基礎五大理念 — 給K12孩童的AI教育

掌握國際教育脈動,才能讓家長與孩子們跟上最新趨勢的教育前沿,補足資訊落差讓孩子們的競爭優勢也毫無落差。由於機器學習早已落腳在我們的生活周遭,舉凡無人機、自動駕駛,一直到能幫忙家務的智慧型機器人都是例子

掌握國際教育脈動,才能讓家長與孩子們跟上最新趨勢的教育前沿,補足資訊落差讓孩子們的競爭優勢也毫無落差。由於機器學習早已落腳在我們的生活周遭,舉凡無人機、自動駕駛,一直到能幫忙家務的智慧型機器人都是例子,可以想見在孩子將來的就業市場中,擁有批判性思維、基本推理能力,和解決人類與機器互動的問題將是關鍵能力。(請參考什麼是STEM教育?) 本篇將介紹目前先進國家如北美及歐洲許多教育單位正在推動的「AI for K-12」人工智能教育,及內含的「五大理念」及生活相關應用。 所謂「K12」指的是從小學 1年級到高中3年級,共橫跨 12個教育年份的孩童,而這門課程主要是根據美國電腦科學教師協會 CSTA(Computer Science Teachers Association) 與人工智能促進協會 AAAI(Association for the Advancement of Artificial Intelligence)等兩大組織為 K-12孩童們,以人工智能概念做為課綱基礎,所設計的 AI 入門課程。 由 AAAI 和 CSTA 共同贊助的AI4K12,主要是開發針對K-12的AI教育指南 K-12學生應該了解哪些 AI 人工智能知識? 根據2018年由 Carnegie Mellon University、University of Florida 等教授群所組成的 AI4K12 指導委員會中章程,起草了每一位 K12 學生都該懂的 AI 五大理念,分別是感知 (Perception)、表示與推理 (Representation & Reasoning)、學習 (Learning)、互動 (Natural Interaction)、社會影響 (Societal Impact)。 理念1:電腦利用感知 (Perception)理解世界 如同人類用視覺、味覺、聽覺、嗅覺來對外在世界進行感知一般,電腦則是利用傳感器(sensors)來接收外界的資訊,並感知這個世界。舉一些日常生活中能見到的例子,比如說:相機在識別出的人臉周圍顯示方框,這是人臉辨識;或者我們可以不用打字,靠著語音輸入就能讓電腦或手機幫忙打出許多文字,這就是語音辨識,這些都是「感知」的應用範疇,然而,電腦與人類感知的方式並不同,電腦或機器只能接收「數字」或「數位訊號」等訊息,因此在機器學習或 AI 教育當中,必須讓學生先瞭解電腦是透過不同類型的傳感器(sensors)來接收訊號,並將此訊號以數字或數位方式收集並記錄,再運用如演算法等方式,讓電腦藉此感知(Perception)呈現出人類能理解的樣貌。 此外,電腦或機器還分為「智能(Intelligent)」或「非智能(non-intelligent)」,接受過 AI 基礎教育的學生需要能夠識別並理解機器感知系統的侷限性,比如目前 AI 並無法擁有嗅覺,學生需懂得如何使用機器學習工具來訓練機器或電腦的感知。 人工智能在日常生活中相當普及,例如相機在識別出的人臉周圍顯示方框,這是人臉辨識 理念2:表示與推理 (Representation & Reasoning) Netflix 和 YouTube 是如何透過我們點選過的影片來猜測我們的喜好,並準確猜測出我們下一步會喜歡的影片?我們已知電腦或機器人可以憑藉著理解有限資訊來做出推理與猜測,例如自動駕駛系統有了地圖與目標就能做出路徑規劃、著名的 AlphaGo 可以根據目前棋盤上的狀態,擬定最大可能勝率的策略,然而如同理念1所述,電腦接收的是與人類不同的感知系統,是數字或數位訊號,因此學生需暸解電腦是如何讀取各種抽象表示,進而學習電腦的推理流程及使用的演算法,除此之外,也需要知道如何透過推理算法來從已知的信息中獲得新的信息,受 AI 教育的高中生們需要能夠運用基本數據結構,來編寫簡單的推理算法。 Netflix 和 YouTube 利用人工智能為觀眾準確猜測出我們下一步會喜歡的影片 AlphaGo 曾經在公開比賽擊敗國際棋藝冠軍柯洁 理念 3:學習 (Learning) 透過大量的學習,電腦及機器人可以從數據(data)中獲得有用資訊,不管是協助我們監測自身的健康情形、幫忙醫生更正確地診斷疾病、自主學習道路駕駛、在日常生活中為我們進行多達100種的語言相互翻譯,都是 AI 機器人可以做的事情,訓練後的機器或電腦能為我們帶來生活上許多便利。 以此應用概念出發,瞭解「什麼是機器學習」、「機器是如何學習的」、「訓練資料(training data)是什麼」、「機器學習演算法有哪些」等一系列觀念及實作,將會是 AI 教育的重點,接受 AI 教育的學生應要能夠運用工具來編寫簡單的應用程式碼。 Google Translate 從大量的數據學習並可以翻譯多達100種的語言 10Botics 的 Autogo 自行車可以透過同學提供的數據進行學習 理念 4:互動 (Natural Interaction) 人類與機器互動在現代社會並非罕見的事,常見的手機 Siri 或可以提供天氣預報的家庭助理機器都已經進駐在我們的生活當中,然而如何使機器讓使用者能感覺有「人情味」、「溫度」仍是目前科學家們的挑戰之一,因為對機器或電腦來說,了解人類多元且複雜的情感是一件十分困難的事情,如何透過觀察一個人的行為來推斷其未來意圖,即使對人類同伴來說也具有挑戰性。 因此,如何讓機器能接收情感訊息,並感知人類行為、學習更好的互動,是一道將來的課題,因此也才能讓機器人在我們的生活中更受到歡迎,而受 AI 教育的學生應該要能夠構建相關電腦語法來解析簡單的程式語言,並使用工具來創造聊天機器人,或是使用情感分析工具,來協助機器人或電腦完成與人類的良好互動。 家庭助理機器可以處理語音的指令,但仍然不能和人類作良好的互動 理念 5:社會影響 (Societal Impact) 所有科技都會為社會帶來正面或負面的影響,AI 當然也是,在 AI 全面改變了人類社會如商業模式、醫療保健等層面時,歐美各個國家也積極在孩童的 AI 教育中加入相應的道德與倫理學習,因為應用 AI 科技雖然可以為整個社會帶來許多正面影響,並幫助更多需要幫助的人,相對地也會產生負面影響,比如說用人臉辨識系統假冒、誹謗他人或是製造假新聞,還有自動駕駛系統遇到特殊緊急狀況時,優先考量的是車上的人還是行人安全?AI 如何以最有智慧的方式判斷它該採用哪些程序?這些都是下個世代需要備受重視的議題,因此受 AI 教育的學生們應該得能夠確定 AI 為人類生活做出貢獻的方式。 AI 的社會影響將涉及兩個問題:應該將 AI 用於哪些應用程序?以及我們需要要求 AI 系統滿足哪些道德標準?學生需要能夠評估新的 AI 技術,並描述可能會產生的道德或社會影響問題。 AI 也會很多涉及道德或社會影響問題。2018 年 Uber的自行車駕駛時發生意外,當時便引起社會的關注 我們的課程 10Botics 的課程全部按照 AI4K12 的藍本而設計,並且以生活例子加以解釋,確保同學們可以容易明白人工智能的知識。 我們的設計師特別為 AI4K12 提倡的五大理念設計了精美的海報。適合各老師,家長及同學下載或者購買我們的打印版本。 下載免費 K12 人工智能課程內容